大型锻造操作机钳头夹持机构受力分析.pdf

5 0 重 型 机 械 2 0 1 3 N 0 5 设计计算 大型锻造操作机钳头夹持机构受力分析 张 营杰 ，刘 赓 ( 1 金属挤压与锻造装备技术国家重点实验室，中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安7 1 0 0 3 2 2 北京科技 大学材料科学与工程学院 ，北京1 0 0 0 8 3 ) 摘要：针对 3 0 0 0 k N 7 5 0 0 k N m操作机钳 头夹持机构 ，分别夹持不同重力 、不 同夹持力矩的 锻件 ，在钳杆不同转角位置 、钳 V I 不 同夹持直径等T况下 ，进行 维建模和有 限元仿真 。分 析在 复杂 T作条件下各主要零部件的受力状况 ，得到相应零部件 危险点应力值的变化规律 ，根据材料力学性 能对其进行静强度和疲劳强度校核。结果表 明，材料的静强度及疲劳 强度完全满足使用要求。 关键词：操作机；夹持机构 ；有限元 中图分类号 ：T G 3 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 11 9 6 X( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 5 0 0 7 St r e s s a n a l y s is o f t o ng s cl a mp ing me ch a nis m o f l a r g e - s c a l e f o r g ing ma nip ul a t o r Z H A N G Y in g - j i e ， L I U G e n g ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Me t a l E x t r u s i o n a n d F o r g i n g Eq u ip me n t ，C h in a Na t i o n a l He a v y Ma ch in e r y Re s e a r ch I ns t it ut e Co ，Lt d，Xi a n 71 0 03 2，Ch ina；2 S cho o l o f Ma t e r ia l s Scie n ce a n d En g ine e r in g，Un iv e r s it y o f S cie n ce a n d T e ch n o l o g y B e i j in g ，B e i j in g 1 0 0 8 3 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Th r e e d ime ns io na l mod e l ing a nd fi n it e e l e me nt s imu l a t io n o f t h e 30 0 0k N 7 50 0 kN m f o r g in g 1 1 1 8 一 n ip u l a t o r cl a mp in g me ch a n is m w e r e e s t a b l is h e d a t t h e o p e r a t in g co n d it io n s o f d iff e r e n t ca n t in g w e ig h t ，d if f e r e n t ca r r y in g mo me n t s ，d if f e r e n t t o n g s r o t a t io n a l p o s it io n s a n d d if f e r e n t cl a mp in g d ia me t e r s T h e s t r e s s s t a t e o f t h e ma in co mp o n e n t s un d e r co mp l e x wo r k ing co n dit io ns wa s a n a l y z e dTh e ch a ng e r u l e s o f t he s t r e s s v a l u e a t t h e r is k p o in t s o n t he co r r e s p o n din g co mp o n e n t s we r e o bt a ine d Ba s e d o n t h e me cha nica l p r o p e r t ie s o f ma t e r ia l s， t h e s t a t ic s t r e ng t h a n d f a t ig u e s t r e ng t h o f e a ch co mp o n e n t we r e ch e ck e dRe s ul t s s h o w t ha t t h e s t a t ic s t r e n g t h a nd f a t ig ue s t r e n g t h f ul l y me e t t h e r e q u ir e me n t Ke y wor ds：t br g in g ma nip ul a t o r；cl a mp in g me cM nis m ；fi n it e f l e me n t me t ho d U 日 IJ舌 3 0 0 0 k N 7 5 0 0 k N n l 轨道直移式锻造操作 机 ，是迄今为 止全球最大的全液压锻造操作机 。 钳头夹持机构是锻造操作机 的重要部件 ，丁作时 不仅承受巨大的油缸夹紧力，同时承受所夹持大 型锻件的重力及其力矩 ，且锻造过程中关键部件 收稿 日期 ：2 0 1 3 0 6 0 9 ；修订 日期 ：2 0 1 3 0 71 3 基金项 目：国家科技 大专项( 2 0 1 0 Z X 0 4 0 1 3 -0 2 1 ， 2 0 1 1 Z X 0 4 0 1 6 3 8 1 ) 作者简介 ：张营杰( 1 9 6 5一 ) ，男 ，金 属挤压与锻造装备技 术罔 家蘑点实验 室 ，中国重 型机械研 究 院股 份公 司 ，研 究 员级 高级 丁程师 ，研 究方 向：锻压装备 r ： 艺。 承受交变应力易引起疲劳破坏。分析钳头夹持机 构在复杂工作条件下各主要部件的受力状况及其 应力分 布特 点，并 据此进行结构设计和材料选 择 ，进而提高锻造操作机的可靠性和经济性。 l 操作机钳头夹持机构有限元模型 的建立 1 1 有限元模 型 可信 度分 析 有 限元分析结果 的可信度直接受分析模型、 载荷处理 、约束条件和实际工程结构力学特性符 合程度 的影响 ，建立有限元分析模型时既要如实 反映实际结构的重要力学特性 ，又要尽量采用较 2 0 1 3 N O 5 重 型 机 械 5 3 究钳壳底部法兰过渡处 的应力变化情 况。将其 圆周截面 1 6等份分割并标记 ，如 图 5所示 。考 虑到钳壳 为 中心 对称体 ，仅 取 15点 进行 研 究 ，随着钳壳的转动进行数据处理 ，得 到 15 点处 的应力值 均呈现 近正弦 曲线变 化 ，如 图 6 所示 。拉应力最大值 出现在接近钳壳 顶部 ，为 2 0 5 M P a ；压应力 最大 值则 出现钳 壳 底 部 ，为 一 7 6 MPa 1 1 2 l 3 1 4 图 5 钳壳底部法兰过渡处轴 向应力记 录点 Fi g 5 Re co r d i n g po s i t i o n s o f a x i a l s t r e s s o f b o t t o m fl a n g e t r a n s i t i o n o f t h e cl a mp s h e l l 图 6 额定载荷下钳壳旋转一周底部法兰 过渡处各点轴 向应力 变化情况 F i g 6 Ax i a l s t r e s s v a r i a t i o n o f e a ch p o s i t i o n o f b o t t o m fla n g e t r a ns i t i o n f o r t h e cl a mp s h e l l o f o n e r o t a t i o n u n de r s pe ci fie d l o a d 陵 2 2 钳臂分析 钳 口水平状态时，下钳臂所受应力大于上钳 臂 ，在此仅对下 钳臂进行应力分析 ，如图 7 a所 示 ，销孔 4处 区域有应力集中产生，杠杆力臂主 要受力区 B处的应力值较高 ；钳 口竖直状态时 ， 两钳臂对称受力 ，取其一进行分析如 图7 b所示 ， 钳臂上半部分 D处所受应力大 于下 半部 ，而 C 处也同受到集中应力作用。 随着锻件夹持力矩的增加 ，钳臂各危险点所 受应力值稍有些微变化 ，变化趋势如图 8 a 所示 ； 随着锻件重力的增加 ，钳臂上相关部位的应力值 依次递增 ，但 与钳壳相 比变 化较为平缓 ，如 图 8 b所示 ；随着钳 口夹持直径 的增大 ，应力集 中 区域 4处 和 C处应力 明显降低 ，如 图 8 c 所示 。 各种工况下 ，钳 口竖直 状态时 的 D处 ，应 力值 没有出现太大的变化 ，而钳 口水平状态下时的 B 处 ，应力值有所增加 ，是由于锻件作用力与钳臂 力臂的夹角发生改变使然。 T k N m ( a ) 随锻件央持力矩变化 G k N m ( b ) 随锻件重量变化 d r a m ( c) 随 钳口夹持 直径变 化 图8 钳臂危险点应力值变化图 Fi g 8 St r e s s v a r i a t i o n o f r i s k p o i n t s f o r t h e cl a mp a r m 5 4 重 型 机 械 在不同钳杆转角位置时 ，分析钳臂主体上危 险应力点 图 7中的 处 ，其应力变化如图 9所 示 。钳臂结构决定了其最大应力在钳臂处于水平 位置时出现。钳杆旋转一周 ，钳臂所受 Mis e s 应 力最大值为 1 6 6 MP a ，最小值为 9 7 M P a 。 图 9 额定载荷下钳臂旋转一周 时 B处 M is e s 应力变化曲线 F ig 9 Mis e s s t r e s s v a r ia t io n cu r v e o f B p o s it io n f o r t h e cl a mp a r n l o f o ne r o t a t io n u nd e r s p e cif ie d l o a d 2 3 连杆分析 连杆主体受压应力作用 ，销孔区域有应力集 中。钳 口水平状态时 ，下部连杆所受的应力要高 于上部连杆 ，而钳 口竖直状态时两连杆所受应力 相 同，如图 1 O所示。其 中 处和 处 为应力集 中区，而 B、C、E处为连杆较高应力 区。随着 锻件夹持力矩和重力的增加 ，连杆所受应力值稍 微增大 ，变化趋势如 图 1 1 a 、b所示 ；随着钳 口 夹持直径的增大 ，连杆上各部分 的应 力 明显下 降 ，如图 1 1 C所示。主要原因是随着连杆张角的 减小 ，连杆所受压力降低。 l G 1 0 连杆 Mis e s 应力分析 F ig 1 0 Mis e s s t r e s s a na l y s is o f t h e co n ne ct in g r o d kN m ( a ) 随锻件 央持 力矩 变化 G k N l T 1 ( b ) 随锻件重量变化 d l l l m ( c) 随钳I f 央持直径变化 图 l 1 连杆危险点应力值 变化 图 F ig 1 1 S t r e s s v a ri a t io n o f r is k p o in t s for t he co n ne ct ing r o d 图 1 2 额定 载荷下连杆旋转一周主体 Mi s e s 应力变化 F ig 1 2 Mis e s s t r es s v a r ia t io n C H I V e o f t h e ma in bo dy for t he co nn e ct ing r o d o f o ne r o t a t io n u n de r s p e cifi e d l o a d 在不同钳杆转角位置时 ，连杆主体所受应力 值呈现出较为平滑的正弦曲线， 应力变化如图 3 强度校核 1 2所示。其 Mis e s 应力最大为 1 1 8 MP a ,最小为 3 1 静 强度校 核 6 6 M P a o 根据表 2所提供 的材料性能和 图 3 、图 8 、 舯 _ 固 二 = 翻 二 = 阔 2 0 1 3 N O 5 重 型 机 械 5 5 图 l 1中各最大应力值 ，即可得到各危 险点的安 全系数 。 如表 3所示 ，钳头夹持机构各部件在静强度 下各危险点的应 力值均未超过其材料许用应力 ， 且钳臂 、钳壳和连杆上非应力集 中点处具有较高 的安全系数。 表 2 钳头主要零件与性能 Ta b 2 Ma in co mp o n e nt s a n d pe r f o r ma n ce s o f t he t o n g s 表 3 钳头主要部件危 险点安全 系数 Ta b 3 Sa f e t y co e f f icien t s o f t h e r is k p o in t s f o r ma in co mpo n e n t s o f t h e t o n g s 3 2疲劳强度校核 在钳杆不 同转角位置 ，对钳壳所受应力进行 分析 ，得到应力变化最大点为图 5中 5处 ，其应 力变化曲线如图 1 3所示 ，经拟合得到三角 函数 式 1 。 25 0 2 00 1 5 0 I O 0 5O 0 5 O 1 O O V V 0 4 8 1 2 1 6 2 O 2 4 2 8 3 2 n r 图 l 3 钳壳旋转一周应力变化最大点拟合 曲线 Fig 1 3 Fit t e d cu r v e o f t h e ma ximum s t r e s s ch a n g e f o r t he cl a mp s h e l l o f o n e r o t a t io n O - ： 5 9+1 2 9 s i n T r x ( 1 ) 0 受拉压应力金属材料 的对称循环疲劳强度 ， 根据经验公式 J ： 一1 0 4 6